1、第八章 HFSS微波仿真,8-1 HFSS基本介紹 一、 HFSS發(fā)展歷程 二、 HFSS仿真原理 三、 HFSS仿真過(guò)程 四、 HFSS的主要功能 五、 HFSS的應(yīng)用領(lǐng)域 8-2 HFSS軟件系統(tǒng) 一、軟件設(shè)計(jì)環(huán)境 二、基本操作,8-1 HFSS基本介紹,HFSSHigh Frequency Structure Simulator（高頻電磁場(chǎng)仿真）軟件由美國(guó)Ansoft公司開(kāi)發(fā)的世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，是目前國(guó)際上主流的三維高頻電磁場(chǎng)仿真軟件之一。HFSS是一種基于物理原型的EDA設(shè)計(jì)軟件。,HFSS8.0中增加了以下主要功能：模式到節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)換；端對(duì)端的節(jié)點(diǎn)模型產(chǎn)生、求

2、解及后處理；可輸出高精度寬帶SPICE模型；全波Spice（Full-Wave Spice）；自適應(yīng)插值掃頻算法；支持集總電阻、電容和電感部件。,一、 HFSS發(fā)展歷程,8-1 HFSS基本介紹,2003年5月Ansoft 公司發(fā)布了HFSS的最新版本V9，v9.2是基于物理原型的EDA設(shè)計(jì)軟件。依靠其對(duì)電磁場(chǎng)精確分析的性能，使您能夠輕松建立產(chǎn)品虛擬樣機(jī)。,Ansoft HFSS v9.2最重要的新功能就是在PC機(jī)上能夠利用3GB的內(nèi)存空間，這極有效地拓展了HFSS的仿真計(jì)算能力，此外運(yùn)用HFSS v9.2的用戶自定義編程模塊（UDP）能方便建立各種模型及元件庫(kù)。同時(shí)，具備與Ansoft De

3、signer、Nexxim動(dòng)態(tài)鏈接的特性：通過(guò)動(dòng)態(tài)參數(shù)化鏈接，在RF/數(shù)?；旌想娐贩抡嬷袑?shí)現(xiàn)與三維電磁場(chǎng)的協(xié)同仿真。,8-1 HFSS基本介紹,2005年8月Ansoft公司在美國(guó)發(fā)布HFSS v10。最新版HFSS v10強(qiáng)化了與CAD工具和其他分析工具之間的配合。CAD模型有時(shí)會(huì)出現(xiàn)微小的段差和坐標(biāo)誤差，這種誤差使得HFSS以前的版本有時(shí)無(wú)法使用該模型。,HFSS v10新增了一種功能，即具有能夠消除微小段差和坐標(biāo)誤差影響的功能，能夠直接使用絕大多數(shù)CAD模型。Ansoft將其稱為“Healing功能”。所以即使CAD模型有時(shí)會(huì)出現(xiàn)微小的段差和坐標(biāo)誤差，HFSS v10也能將其分割成最佳的

4、微小網(wǎng)格后，進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。另一點(diǎn)就是：HFSS v10與SIwave v3進(jìn)行協(xié)作分析的示例，能夠看到車身內(nèi)部的印刷電路板產(chǎn)生的不必要輻射的活動(dòng)情況。,8-1 HFSS基本介紹,HFSS采用的理論基礎(chǔ)是有限元方法。有限元法是一種積分方法，其解是頻域的，所以HFSS是由頻域到時(shí)域，對(duì)于設(shè)計(jì)各種輻射器及求本征模問(wèn)題很擅長(zhǎng)。HFSS應(yīng)用切向矢量有限元法。,二、 HFSS仿真原理,所謂的有限元法，就是將整個(gè)區(qū)域分割成許多很小的子區(qū)域，這些子區(qū)域通常稱為“單元”或“有限元”，將求解邊界問(wèn)題的原理應(yīng)用于這些子區(qū)域中，求解每個(gè)小區(qū)域，通過(guò)選取恰當(dāng)?shù)膰L試函數(shù)，使得對(duì)每一個(gè)單元的計(jì)算變得非常簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)對(duì)每個(gè)單

5、元進(jìn)行重復(fù)而簡(jiǎn)單的計(jì)算，再將其結(jié)果總和起來(lái)，便可以得到用整體矩陣表達(dá)的整個(gè)區(qū)域的解，這一整體矩陣又常常是稀疏矩陣，可以更進(jìn)一步簡(jiǎn)化和加快求解過(guò)程。,8-1 HFSS基本介紹,三、 HFSS仿真過(guò)程,HFSS仿真過(guò)程圖,8-1 HFSS基本介紹,四、 HFSS的主要功能,5. 電磁場(chǎng)與系統(tǒng)電路集成協(xié)同仿真設(shè)計(jì)能力。,1. 提供了一個(gè)基于三維電磁場(chǎng)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程的設(shè)計(jì)平臺(tái)。,2. 集成了工程設(shè)計(jì)所必需的強(qiáng)大的參數(shù)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化、敏感性及公差統(tǒng)計(jì)仿真分析功能。,3. 新一代仿真工具賦予了更靈活的網(wǎng)格剖分、收斂精度及仿真分析控制等功能，從而具有更快的仿真速度和更高的設(shè)計(jì)精度。,4. 其參數(shù)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)大

6、的建模及圖形功能使工程仿真設(shè)計(jì)變得十分方便。,8-1 HFSS基本介紹,HFSS設(shè)計(jì)的新特點(diǎn),精確 快速 方便易用 工程實(shí)用參數(shù)化掃描、優(yōu)化設(shè)計(jì)、敏感性分析、公差統(tǒng)計(jì) 電磁場(chǎng)與系統(tǒng)、電路集成協(xié)同仿真設(shè)計(jì),8-1 HFSS基本介紹,五、 HFSS的應(yīng)用領(lǐng)域,射頻和微波器件設(shè)計(jì) 對(duì)于任意三維高頻微波器件，如波導(dǎo)、濾波器、耦合器、連接器、鐵氧體器件和諧振腔等，HFSS都能提供工具實(shí)現(xiàn)S參數(shù)提取、產(chǎn)品調(diào)試及優(yōu)化，最終達(dá)到制造要求。,2. 天線、陣列天線和饋源設(shè)計(jì) HFSS是設(shè)計(jì)、優(yōu)化和預(yù)測(cè)天線性能的有效工具。從簡(jiǎn) 單的單極子天線到復(fù)雜雷達(dá)屏蔽系統(tǒng)及任意饋電網(wǎng)絡(luò)HFSS 都能精確地預(yù)測(cè)其電磁性能，包括輻

7、射向圖、波瓣寬度、 內(nèi)部電磁場(chǎng)分布等。,8-1 HFSS基本介紹,T形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)部電磁場(chǎng)顯示,非均勻螺旋天線的模型分析,8-1 HFSS基本介紹,3. 高頻IC設(shè)計(jì) 隨著集成電路芯片進(jìn)入納米范圍，工作頻率增強(qiáng)、尺寸減小都導(dǎo)致片上互連結(jié)構(gòu)寄生參數(shù)對(duì)芯片電路性能產(chǎn)生巨大影響。MMIC、RFIC和高速數(shù)字IC的設(shè)計(jì)要求準(zhǔn)確表征并整合這種影響，這些都要求提取其準(zhǔn)確的寬帶電磁特性，HFSS是唯一能自動(dòng)、快速實(shí)現(xiàn)這一功能的軟件。,4. 高速封裝設(shè)計(jì) 快速上升的IC引腳伴隨著IC芯片及封裝的微型化發(fā)展趨勢(shì)，IC封裝中的信號(hào)傳輸路徑對(duì)整個(gè)系統(tǒng)電性能的影響越來(lái)越嚴(yán)重，必須有效區(qū)分和協(xié)調(diào)這種高速封裝影響。HFSS

8、提供的S參數(shù)和寬帶SPICE電路模型，使IC、封裝和PCB設(shè)計(jì)者能在制造和測(cè)試之前準(zhǔn)確預(yù)測(cè)系統(tǒng)工作性能。,8-1 HFSS基本介紹,高Q螺旋電感器的設(shè)計(jì)分析,高速封裝的電磁特性分析,8-1 HFSS基本介紹,5. 高速PCB板和RF PCB板設(shè)計(jì) 由于PCB工作頻率及速度的不斷提高，致使板上信號(hào)線、過(guò)孔等結(jié)構(gòu)的等效電尺寸增加，從而產(chǎn)生更強(qiáng)的耦合、輻射等電磁效應(yīng)。HFSS讓PCB設(shè)計(jì)者明確、診斷、排除這些影響，無(wú)論是過(guò)孔、信號(hào)線，還是PCB板邊緣或者同軸連接器等各種結(jié)構(gòu)，HFSS都能確定其電磁效應(yīng)，完成自動(dòng)化設(shè)計(jì)、優(yōu)化從而使產(chǎn)品達(dá)到更高性能。,8-1 HFSS基本介紹,高速PCB板及背板的設(shè)計(jì),

9、8-2 HFSS軟件系統(tǒng),HFSS軟件是由美國(guó)Ansoft公司開(kāi)發(fā)，是三維電磁場(chǎng)仿真軟件。它應(yīng)用切向矢量有限元法，可求解任意三維射頻、微波器件的電磁場(chǎng)分布，計(jì)算由于材料和輻射帶來(lái)的損耗?？芍苯拥玫教卣髯杩?、傳播系數(shù)、S參數(shù)及電磁場(chǎng)、輻射場(chǎng)、天線方向圖、特定吸收率等結(jié)果。廣泛應(yīng)用于天線、饋線、濾波器、多工器、功分器、環(huán)行器、光電器件、隔離器的設(shè)計(jì)和電磁兼容、電磁干擾，天線布局和互耦等問(wèn)題的計(jì)算。 目前實(shí)驗(yàn)所用的HFSS軟件為10.0版本，軟件介紹以此版本為準(zhǔn)。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),一、軟件設(shè)計(jì)環(huán)境,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),主菜單與工具條 主菜單在軟件主窗口的頂部，包括File、Edit、

10、Project等下拉菜單。 工具條在主菜單的下一行，是一些常用設(shè)置的圖標(biāo)。,2. 工程樹(shù) 工程樹(shù)包括所有打開(kāi)的HFSS工程文件，每個(gè)工程文件一般包括幾何模型、模型的邊界條件、材料定義、場(chǎng)的求解、后處理信息等。工程樹(shù)中第一個(gè)節(jié)點(diǎn)是工程的名稱，默認(rèn)名一般為Projectn，n代表當(dāng)前打開(kāi)的第n個(gè)工程。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),導(dǎo)入HFSS設(shè)計(jì)后，其下加入HFSSModeln節(jié)點(diǎn)，n代表當(dāng)前加入的第n個(gè)設(shè)計(jì)，在該節(jié)點(diǎn)下包括模型的所有特定數(shù)據(jù)。包括：,Boundaries：邊界條件。定義在問(wèn)題區(qū)以及物體表面的邊沿處的場(chǎng)特性，包括良導(dǎo)體表面、阻抗表面、輻射表面、主表面、從表面、集總元件表面等。,Exc

11、itations： 激勵(lì)源。定義某物體或表面的電磁場(chǎng)的源以及電荷、電流、電壓等情況，包括端口、集總端口、入射端口、電壓源、電流源等。,Model：建立的模型。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),Mesh Operation：網(wǎng)格設(shè)置。定義網(wǎng)格的劃分，即網(wǎng)格晶元。,Analysis：分析。包括求解設(shè)置，定義軟件如何計(jì)算求解。,Optimetrics：優(yōu)化。包括所有優(yōu)化設(shè)置。,Results：結(jié)果。包括所有后處理生成的結(jié)果報(bào)告。,Port Field Display：顯示模型的端口場(chǎng)分布。,Field Overlays：顯示某物體、表面的基本或衍生的場(chǎng)分布 情況。,Radiation：設(shè)置近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)。,8

12、-2 HFSS軟件系統(tǒng),3.繪圖歷史樹(shù)、繪圖窗 繪圖歷史樹(shù)包括繪制的所有的幾何模型，以及模型的編輯、材料定義等。 繪圖歷史樹(shù)右側(cè)是繪圖窗，在該區(qū)繪制幾何模型。,4. 屬性窗 屬性窗顯示在工程樹(shù)、繪圖歷史樹(shù)或繪圖區(qū)中選中的某一項(xiàng)的屬性，可以進(jìn)行編輯。在屬性窗中可編輯的參數(shù)是不定的，其標(biāo)簽頁(yè)的名稱也不定，均由所選中的項(xiàng)的類型決定。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),5. 信息窗 信息窗顯示與工程創(chuàng)建過(guò)程相關(guān)的各種信息，例如工程設(shè)置的錯(cuò)誤信息、分析過(guò)程的設(shè)置信息等。,6. 進(jìn)程窗 進(jìn)程窗在執(zhí)行仿真時(shí)，監(jiān)視仿真的進(jìn)度，仿真的每一 步都有顯示。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),二、基本操作,1創(chuàng)建工程 從主菜單選Fi

13、leNew，創(chuàng)建一個(gè)新工程;再選FileSave As，則以此路徑、名稱保存該工程。工程文件以*.hfss保存。,2模型視圖 模型視圖有多種，包括移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等。,移動(dòng)：由主菜單選ViewPan，或者按下Shift鍵同時(shí)點(diǎn)鼠標(biāo)左鍵移動(dòng)鼠標(biāo)，可以移動(dòng)模型。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)：由主菜單選ViewRotate，或者按下Alt鍵的同時(shí)點(diǎn)鼠標(biāo)左鍵移動(dòng)鼠標(biāo)，可以旋轉(zhuǎn)模型。,縮放：由主菜單選ViewZoom，或者同時(shí)按下Alt、Shift鍵，點(diǎn)左鍵移動(dòng)鼠標(biāo)可以放大、縮小模型。向上移是放大視圖，向下移是縮小視圖。,適中顯示：同時(shí)按下Ctrl、D鍵，可以將模型適中示。,其他操作還有Zoo

14、m In、Zoom Out等。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),3復(fù)制、粘貼 由主菜單選EditCopy To Clipboard，可將模型粘貼到剪 貼板，再粘貼到Word、PowerPoint等基于Windows的程序中, 此操作也可復(fù)制工程的分析結(jié)果圖。,4各種HFSS文件 一個(gè)*.hfss文件包含所有與工程相關(guān)的文件。常見(jiàn)的文件 及文件夾類型包括： design_name.hfssresults：文件夾，保存設(shè)計(jì)的結(jié)果數(shù)據(jù)。 project_name.hfssresults：文件夾，保存工程的結(jié)果數(shù)據(jù)。 Project_name.asol：文件，保存工程的場(chǎng)數(shù)據(jù)結(jié)果。如果 求解不合適，則該文件

15、可能為空。保存在project_name. hfss results文件夾內(nèi)。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),.pjt：HFSS軟件8.5以及更早版本的工程文件。 .anfp：Ansoft的PCB中性文件。,5導(dǎo)出文件 由主菜單選3D ModelExport，選擇保存路徑、命名，將“保存類型”下拉列展開(kāi)，選擇要導(dǎo)出的文件類型即可。,*.sm2：二維模型文件，只包含XY平面。 *.sat或*.sm3三維模型文件，前者為ACIS幾何固態(tài)模型文件，后者為在ACIS2.0版或更高版本中的HFSS三維模型文件。如果選擇*.sm3，則還要選擇ACIS SM3的版本。,圖表文件：包括*.bmp，*.gif，*.

16、jpeg，*.tiff，*.wrl等格式。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),數(shù)據(jù)列表文件：*.txt為后處理格式文件，*.csv為逗號(hào)分隔文件，*.tab為T(mén)ab鍵分隔文件，*.dat為曲線數(shù)據(jù)文件。方法：分析出結(jié)果后，由主菜單選Report2DExport，選擇保存路徑、命名，將Save as type下拉列展開(kāi)，選擇要導(dǎo)出的文件類型即可。,6導(dǎo)出矩陣數(shù)據(jù) 在工程樹(shù)的Anlysissetupn項(xiàng)上，點(diǎn)右鍵，選擇Matrix Data，出現(xiàn)Solution Data窗，默認(rèn)Matrix Data標(biāo)簽頁(yè)。選擇想要查看的矩陣類型，包括S-matrix，Y-matrix，Z-matrix，Gamma，Zo等參數(shù)，點(diǎn)Export。,8-2 HFSS軟件系統(tǒng),在彈出的新窗口，選擇保存路徑、命名，將“保存類型”下拉列展開(kāi)，選擇要導(dǎo)出的文件類型即可。包括： *.tab：數(shù)據(jù)列表文件。將S矩陣的各項(xiàng)按順序列出，包括數(shù)據(jù)頭，以Tab鍵隔開(kāi)。 *.sNp：TouchstoneS參數(shù)文件。后綴名中的N代表有N個(gè)端口。 *.nmf：中性文件名。 *.m：Matlab文件。SYZ矩陣的各項(xiàng)按順序列出。